现代电子装联高密度安装及微焊接技术

现代电子制造技术的发展日新月异，电子产品生产更快、体积更小、价格更廉价的要求推动了电子制造技术的革命。微电子技术的高速发展和进步给人类社会带了更多的好处和福音，但也给现代电子制造技术带来了更多的问题和挑战。不断缩小的封装很快使周边引线方式走到了尽头；不断细微化的微小间距面阵列封装成了从事电子安装者们的梦魔。本书从目前的微小型元器件（0201、01005、EMI、EDS）、细间距芯片及其封装（如FBGA、LGA、CSP、FCOB、QFN）等的高密度安装特性、焊接技术的要求和遇到的瓶颈问题出发，全面地分析了现代电子设备高密度安装和微焊接技术的发展特点和技术内容；通过寻找遇到的瓶颈问题的可能的解决办法，探索了电子制造技术未来的发展趋势。这些都是现在和未来从事电子制造技术研究的工艺工程师、质量工程师、生产管理工程师们所应了解和掌握的。

樊融融，研究员，中兴通讯股份有限公司工艺技术专家，终生科学家，中兴通讯电子制造职业学院院长，中国印制电路行业协会（CPCA）专家组专家。先后有10项发明获国家专利，荣获各级科技进步奖共六次，部，省级很好发明专利奖三次，享受“国务院政府特殊津贴”。

第1章高密度安装技术概论1
1.1现代电子设备的电气安装2
1.1.1电子设备概述2
1.1.2电子设备的电气安装3
1.2电子设备的高密度安装技术5
1.2.1何谓高密度安装技术5
1.2.2现代电子设备的安装密度7
1.2.3现代电子设备高密度安装技术是一项系统工程技术10
思考题12
第2章高密度安装中的元器件15
2.1电子设备用电子元器件16
2.1.1电子设备用电子元器件的基本概念16
2.1.2元器件的小型轻量化对现代电子设备高密度安装的意义17
2.2现代微电子设备用电子元件19
2.2.1现代微电子设备用分立元件19
2.2.2现代微电子设备用元件的小型化和轻量化的发展历程22
2.3现代微电子设备用电子器件25
2.3.1现代微电子设备中的电子器件及其对安装环境的适应性25
2.3.2高密度安装半导体封装技术26
2.3.3高密度安装的半导体器件小型化和轻量化的发展27
2.4集成电路（IC）30
2.4.1集成电路及其特点30
2.4.2集成电路的常用分类方法30
2.4.3IC封装及其作用31
2.5如何区别集成电路的封装类型32
2.5.1周边配列封装32
2.5.2表面阵列封装（BGA和CSP等）35
2.5.3QFP、BGA、CSP等IC的主要电气特性比较43
思考题43
第3章高密度安装中的IC多芯片组件45
3.1SoC、SiP及HIC46
3.1.1引言46
3.1.2SoC和SiP46
3.1.3HIC（混合IC）49
3.2MCM多芯片组件50
3.2.1MCM概述50
3.2.2MCM的分类及特性比较52
3.2.3HIC、MCM、SiP的相互关系53
3.3模块、裸芯片和KGD55
3.3.1模块（组件）55
3.3.2裸芯片和KGD55
3.3.3光模块57
3.3.4微波IC和微波模块60
3.43D安装62
3.4.13D安装技术的发展62
3.4.23D安装工艺62
思考题64
第4章高密度组装中的印制电路板67
4.1概述68
4.1.1印制线路、印制电路和印制板68
4.1.2制造印制电路板的基本工艺方法及其特点69
4.1.3印制板的分类70
4.2高密度组装用多层印制电路板70
4.2.1多层印制板（MLB）70
4.2.2MLB互连基板的特点72
4.2.3影响高密度安装MLB机械性能、电性能、热性能的因素73
4.2.4高密度安装MLB基板布线的基本原则75
4.3积层／高密度互连（HDI）印制板76
4.3.1积层多层印制电路板（BLB）的高速发展76
4.3.2积压多层印制板（BLB）的芯板77
4.3.3积层用芯板的主要制造工艺78
4.3.4目前采用非电镀方法制造（BLB）主要的工艺方法79
4.3.5积层／高密度互连（HDI）印制板82
4.4金属芯印制板及挠性印制板85
4.4.1金属芯印制板的作用及常用的材料85
4.4.2挠性印制板概述87
4.5埋入元器件的印制板89
4.5.1埋入式印制板概述89
4.5.2同时埋置有源及无源元器件的系统集成封装基板91
4.6高密度安装无铅印制板及表面可焊性涂覆层的选择92
4.6.1无铅焊接对层压板的要求92
4.6.2高密度安装高频印制板的可焊性涂层的特性分析93
思考题94
第5章微细元器件在PCBA上的安装97
5.1微细元器件概述98
5.1.1微细元器件及其发展驱动力98
5.1.2微细元器件在电子设备中的应用及其对相关工艺装备的要求98
5.1.3微细元器件在高密度安装中的主要缺陷及其成因99
5.20201在PCBA基板上的安装100
5.2.10201片式元件在电子设备中的应用及其对安装工艺的挑战100
5.2.2使用0201元件的PCB的安装设计101
5.2.30201在PCBA基板上安装的工艺窗口要求102
5.2.4归纳与总结105
5.301005在PCBA基板上的安装106
5.3.1超级微细元件01005的发展、应用及安装工艺面临的挑战106
5.3.201005在PCB上安装焊盘图形设计的优化107
5.3.301005在PCB上安装的工艺窗口要求108
5.3.4归纳与总结109
5.4EMI/ESD器件的安装问题110
5.4.1EMI/ESD类器件的基本特性110
5.4.2EMI/ESD类器件供应商推荐的无铅再流焊接参数111
5.4.3EMI/ESD类器件在安装中常见的焊接缺陷112
5.4.4安装中焊接缺陷的形成机理及改进的措施112
思考题114
第6章细间距球阵列封装芯片（FBGA、CSP、LGA、FCOB）在PCBA
基板上的2D安装117
6.1细间距球阵列封装芯片118
6.1.1细间距球阵列封装（FBGA）芯片118
6.1.2芯片尺寸封装（CSP）119
6.2细间距球阵列封装芯片安装技术概述121
6.2.1细间距球阵列封装芯片安装技术的发展121
6.2.2安装阶层（安装层次）的定义126
6.2.3表面安装技术已成为现代电子产品高密度安装的主流工艺127
6.2.4高密度安装技术的标准化及安装注意事项128
6.3细间距球阵列封装芯片在PCBA上的安装130
6.3.1焊膏及其应用130
6.3.2钢网厚度和孔径设计131
6.3.3贴装工艺与控制133
6.3.4再流焊接133
6.3.5清洗与免清洗136
6.3.6安装间隔高度137
6.3.7SMT后工序137
6.4无引脚框架的超薄外形芯片（LGA/QFN）在PCBA上的安装138
6.4.1阵列焊盘封装（LGA）138
6.4.2无引脚周边扁平封装（QFN）142
6.4.3芯片直接贴装（DCA）143
思考题143
第7章细间距芯片在PCBA上的3D（堆叠）安装145
7.13D安装概述146
7.1.13D安装的定义与发展146
7.1.23D安装技术的分类及其在电子装备表面安装中的应用148
7.2SMT的新拓展——从二维走向三维151
7.2.13D安装技术在SMT中的拓展151
7.2.23D堆叠安装所面临的挑战153
7.33D堆叠（PoP）安装技术155
7.3.1概述155
7.3.2堆叠工艺157
7.3.3PoP的安装形态158
7.3.4助焊剂膏和焊膏的应用159
7.3.5PoP芯片堆叠安装SMT工序解析160
思考题164
第8章电子整机系统安装中的高密度安装技术167
8.1电子整机系统概述168
8.1.1系统及系统的特征168
8.1.2电子整机系统的结构组成169
8.2刚性印制背板的制造172
8.2.1背板的作用、要求及分类172
8.2.2光印制板的原理和构造173
8.3刚性背板的安装175
8.3.1普通高速高密印制背板安装中所采用的接合、接续技术175
8.3.2光印制板的安装180
8.4微电子设备整机系统的安装182
8.4.1微电子设备整机系统安装的内容和特点182
8.4.2微电子设备安装电路的发展历程183
8.4.3安装工艺设计的要求184
8.4.4用导线进行机箱（柜）内的电气安装185
8.4.5印制板插座架的装配187
8.4.6门、设备和机架的装配187
8.5微波组件和光模块的安装188
8.5.1微波组件的安装188
8.5.2光?电复合基板的3D安装190
思考题191
第9章微电子设备高密度安装中的电磁兼容及散热问题193
9.1概述194
9.1.1现代微电子设备高密度安装中所面临的挑战194
9.1.2解决电子设备高密度安装中的电磁兼容和热问题是项系统工程194
9.1.3安装工艺过程控制要求越来越精细194
9.2微电子设备高密度安装中的电磁兼容性195
9.2.1电磁兼容性及在电气安装中的要求195
9.2.2微电子设备安装工艺的抗干扰性及其影响因素195
9.2.3在高密度电气安装中对电磁兼容性的基本考虑196
9.2.4在高密度电气安装中电气互连线的电长度197
9.2.5电气安装互连线的寄生耦合198
9.2.6用导线进行电气安装的电磁兼容性199
9.2.7EMS、EMI和EMC201
9.3微电子设备高密度安装中的热工问题201
9.3.1概述201
9.3.2微电子设备中的热产生源203
9.3.3热管理——热量的散失方法206
9.3.4热界面材料208
9.3.5BGA散热片的黏附方法209
9.3.6微电子设备中冷却手段的选择211
9.3.7特殊的冷却方式214
思考题217
第10章电子装联高密度安装中的微焊接技术219
10.1高密度安装中的微焊接技术220
10.1.1高密度安装中的微焊点与微焊接220
10.1.2微焊接技术的工艺特征222
10.2高密度安装中的微焊接工艺可靠性设计223
10.2.1设计依据223
10.2.2微焊接工艺可靠性设计的基本概念和内容223
10.2.3微焊接工艺可靠性设计的定义和内容224
10.2.4微焊接安装工程要求226
10.3微焊接技术对传统SMT工艺的挑战226
10.3.1焊膏钎料粉粒度的选择和钢网开孔226
10.3.2焊膏印刷工艺中从未有过的基本物理问题228
10.3.3微细元件及细间距器件对贴装的挑战230
10.3.4微细元件及细间距器件对再流焊接的挑战231
10.4微焊接对再流炉加热方式和加热机构的要求236
10.4.1微焊接用再流焊接炉的基本热量传递方式及效果评估236
10.4.2适合微细元件及细间距器件微焊接用的“远红外线+热风”炉240
10.5细间距器件在微焊接过程中应关注的问题242
10.5.1细间距封装器件在再流焊接过程中焊点的受热问题242
10.5.2高密度安装中的共面性244
10.5.3建议要关注的工艺问题247
思考题249
第11章微焊接技术中常见的焊点缺陷及其分析251
11.1细间距封装器件的安装工艺控制标准252
11.1.1细间距封装器件的高密度安装工艺控制252
11.1.2微焊接焊点缺陷的特征和分类253
11.2微焊接中极易发生的焊点缺陷255
11.2.1焊点焊料量不足（少锡）255
11.2.2焊点桥连255
11.2.3冷焊256
11.2.4虚焊257
11.2.5偏位257
11.2.6元件滑动258
11.2.7立碑现象259
11.2.8芯吸现象259
11.2.9开路260
11.2.10不充分／不均衡加热260
11.2.11元器件缺陷261
11.3微焊点中的空洞263
11.3.1概述263
11.3.2空洞的产生264
11.3.3空洞的分类及影响264
11.3.4焊球中空洞的工艺控制标准要求266
11.4球窝（PoP）267
11.4.1球窝的分类和形位特征267
11.4.2PoP再流焊接中球窝缺陷的图像特征269
11.4.3PoP再流焊接球窝缺陷形成机理275
11.4.4PoP再流焊接球窝缺陷的抑制措施276
思考题277
第12章高密度安装中的微焊接焊点检测技术279
12.1微焊点检测技术概述280
12.1.1微焊接中的主要缺陷及其特征280
12.1.2在微焊接中常用焊点检测方法及其适合性280
12.2高密度安装中的X-Ray检测技术281
12.2.1X-Ray检测技术的功能和检测原理281
12.2.2X-Ray图像捕获282
12.2.3实时X-Ray设备的选用282
12.2.4断层X-Ray检测技术285
12.2.5观察视野286
12.3高密度安装中的其他检测技术287
12.3.1声频显微扫描检测技术287
12.3.2红外热敏成像289
12.3.3扫描电镜（SEM）与能谱分析（EDX）290
12.3.4BGA间隔测量292
12.3.5光学检测292
12.3.6破坏性分析293
12.4产品生产性验收试验294
12.4.1电气测试（ICT和FT）294
12.4.2测试覆盖率295
12.4.3老化和加速测试295
思考题297
第13章现代电子装联高密度安装技术发展的瓶颈及未来可能的解决途径299
13.1现代电子制造高密度安装技术现状300
13.1.1高密度安装技术的发展历程300
13.1.2先进的元器件加速了高密度安装技术的发展300
13.1.3先进板级电路安装工艺技术的发展301
13.2现代电子装联高密度安装技术正面临的瓶颈302
13.2.1摩尔定律所揭示的发展规律302
13.2.2焊膏印刷所面临的挑战304
13.2.3贴片和贴片机面临的挑战305
13.2.4再流焊接和焊接设备所面临的挑战306
13.2.5电子整机与封装走向一体化306
13.3电子装联技术未来走向307
13.3.1背景307
13.3.2下一代微型元器件安装技术——电场贴装307
13.3.3电子装联技术未来的走向——自组装技术308
思考题309
缩略语311
跋317